CN106052563A - 超微距离检测系统及其方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超微距离检测系统，通过整合激光三角测距模块以及音叉测距模块，并通过控制模块来控制音叉测距模块的探针移动及通过激光三角测距模块的远距离粗略定位及采用音叉检测近距离精确定位相互配合，可以实现所述探针与待测物体之间的快速距离检测。本发明所提供的超微距离检测方法可以通过激光三角测距模块预测音叉测距模块中探针与物体表面的初始距离，实现探针的快速定位，并当所述初始距离超出音叉测距模块的音叉测距范围时，可将移动探针至音叉测距模块可进行测距的范围之内再进行测距。可以实现所述探针与待测物体之间的快速超微距离检测。本发明还提供超微距离检测系统可广泛用于显微成像或位移传感器中。

Description

超微距离检测系统及其方法、应用

【技术领域】

本发明涉及超微距离精准定位与位移检测领域，尤其涉及一种超微距离检测系统及其方法、应用。

【背景技术】

现有技术超微距离定位和位移检测技术和方法，主要有激光三角测距、光谱共焦、电容传感器测距、电涡流传感器等。但是现有的超微距离定位或位移检测技术由于受到其自身原理的限制只能应用于特定的领域，如需要限定待测物体的材质或对待测物体的表面有特别的形貌要求，即使在同一个应用领域也各有其优缺点，如检测的成本过高或不利于系统集成使用。如电容式位移传感器探头的体积大，且要求待测物体具有一定的表面积，因此，电容式位移传感器不可用于较小表面积物体检测。

现有的超微距离定位和位移检测技术中，还普遍存在测量量程小的缺点，而量程大的存在测量精度和分辨率低的问题，现有的超微距离检测技术无法满足快速检测的需求，因此，亟待提供一种新型的超微距离检测系统及其方法。

【发明内容】

为克服现有超微距离检测较慢的问题，本发明提供一种新型的超微距离检测系统及其方法、应用。

本发明为解决上述技术问题的一技术方案是提供一种超微距离检测系统，其包括激光三角测距模块、音叉测距模块及控制模块；所述音叉测距模块具有一定的音叉测距范围，并且该音叉测距模块包括探针；所述激光三角测距模块用于测量所述探针与待测物体表面之间初始距离，所述控制模块用于比较所述初始距离是否超出音叉测距范围，如果所述初始距离超出所述音叉测距范围，则控制所述探针移动至所述音叉测距范围内。

优选地，所述音叉测距模块包括音叉，所述探针与所述音叉固定连接，且音叉测距模块的音叉测距范围由所述音叉决定。

优选地，所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉连接的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块及音叉数据采集模块。优选地，所述音叉激谐振扫描模块用于对所述音叉进行扫频以确定所述音叉的谐振频率；所述锁相环模块用于对所述谐振频率进行锁定；所述音叉数据采集模块用于收集所述音叉的检测数据。

优选地，所述激光三角测距模块进一步包括激光发生器、激光检测器及与两者连接的激光数据采集及处理模块，所述激光发生器用于发射激光信号，所述激光检测器用于接收激光发生器发 出的激光信号，所述激光数据采集及处理模块用于采集及处理所述激光发生器与所述激光检测器的发射及接收信号。

优选地，所述激光发生器与所述激光检测器之间呈角度分别设置在所述探针的两侧。

本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供一种超微距离检测方法，其包括以下步骤：采用激光三角测距模块测量音叉测距模块中探针与待测物体表面之间的初始距离；比较所述初始距离是否超出音叉测距模块的音叉测距范围，若所述初始距离超出所述音叉测距范围，则移动所述探针至所述音叉测距范围内；通过音叉测距模块测量获得探针与待测物体表面的距离。

优选地，在所述超微距离检测方法中，在移动所述探针到音叉测距模块的音叉测距范围后，进一步包括以下步骤：对音叉测距模块的音叉进行扫频以确定其谐振频率；锁定音叉的谐振频率并收集音叉的检测数据。

优选地，在所述超微距离检测方法中，进一步采用控制模块移动所述探针。

本发明为解决上述技术问题的又一技术方案是提供一种超微距离检测系统的应用，如上所述超微距离检测系统，其可用于显微成像或位移传感器中。

相对于现有技术，本发明所提供的超微距离检测系统，通过整合激光三角测距模块以及音叉测距模块，并通过控制模块来控制音叉测距模块 的探针移动，通过所述激光三角测距模块的远距离粗略定位及采用音叉检测近距离精确定位相互配合，可以实现所述探针与待测物体之间的快速距离检测。

本发明所提供的超微距离检测方法中，可以通过所述激光三角测距模块预测音叉测距模块中探针跟物体表面的初始距离，实现探针的快速定位，并当所述初始距离超出音叉测距模块的音叉测距范围时，可将所述探针移动至音叉测距模块可进行测距的范围之内再进行测距。可以实现所述探针与待测物体之间的快速超微距离检测。

本发明所提供的超微距离检测系统可适用于显微成像及位移传感器中，以实现超微距离的精确定位和精密位移检测。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例超微距离检测系统的结构示意图。

图2是本发明第一实施例超微距离检测系统的检测原理示意图。

图3是本发明第一实施例超微距离检测系统中探头部分结构示意图。

图4是本发明第二实施例超微距离检测方法的流程示意图。

图5是本发明第二实施例超微距离检测方法一个变形实施方式的流程示意图。

图6是本发明第二实施例超微距离检测方法 中音叉检测原理图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明中，所述超微距离指的是距离为小于厘米级的距离，如所述超微距离可为几毫米、几十微米、几微米、几百纳米、几十纳米、几纳米，甚至到几埃米的距离。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种超微距离检测系统10，所述超微距离检测系统10包括音叉测距模块11、激光三角测距模块13及控制模块14。其中，所述控制模块14与所述音叉测距模块11、所述激光三角测距模块13连接，所述控制模块14可为所述音叉测距模块11、所述激光三角测距模块13提供数据存储、处理及移动控制等功能。

所述音叉测距模块11包括音叉111、探针112、音叉激谐振扫描模块113、锁相环模块114及音叉数据采集模块115和音叉探头(未标示)。所述探针112固定在音叉探头上，所述音叉111与所述探针112固定连接，比如采用绝缘胶连接。所述音叉111还与所述音叉激谐振扫描模块113、所述锁相环模块114及所述音叉数据采集模块 115连接。在本发明一些优选实施例中，所述音叉探头可为用于固定所述音叉111与所述探针112的支架。

在本发明一些较优的实施例中，所述音叉111优选为石英音叉，所述音叉111由32.768KHz的圆柱形晶振去掉外壳而得到，其中，所述圆柱形晶振的尺寸为3mm*8mm。所述探针112优选为钨探针，所述探针112是由直径0.6mm的钨丝通过电化学腐蚀得到的，上述针对所述音叉111与所述探针112的限定仅作为实例，不作为本发明的限定。所述音叉测距模块11具有一音叉测距范围，所述音叉测距范围即为所述音叉111的可进行测距的范围。所述音叉测距模块11的音叉测距范围由所述音叉111决定。根据所选用的所述音叉111的不同，所述音叉测距模块11的可测距范围也不相同。

所述音叉激谐振扫描模块113用于对所述音叉111进行扫频以确定所述音叉111谐振频率。所述锁相环模块114用于对由所述音叉激谐振扫描模块113所确定的所述音叉111的谐振频率进行锁定。而所述音叉数据采集模块则用于收集所述音叉111的振幅和相位。

所述音叉模块11进行测距的过程为：首先给所述音叉111一正弦信号激励使音叉达到谐振状态，当所述音叉111及与其固定连接的所述探针112以谐振状态靠近待测物体时，由于所述探针112与待测物体表面原子间的剪切力作用，从而 使所述音叉111的振幅和相位发生变化，通过感测所述音叉111的振幅和相位的变化量，从而可对所述探针112与待测物体表面之间的距离进行检测。

所述激光三角测距模块13包括一激光发生器131、一激光检测器132及一激光数据采集及处理模块133，所述激光数据采集及处理模块133分别与所述激光发生器131、所述激光检测器132连接。所述激光发生器131用于发射激光信号，所述激光检测器132用于接收激光发生器131发出的激光信号，所述激光数据采集及处理模块133用于采集及处理所述激光发生器131、所述激光检测器132的发射信号与接收信号。

请一并参阅图2与图3，在一些优选的实施例中，所述激光发生器131与所述激光检测器132之间呈角度分别设置在所述音叉探头上，分别位于探针112的两侧。所述激光发生器131与所述激光检测器132之间具体设置的角度与所述探针112与待测物体表面之间距离的远近相关，其角度可为15°-75°。在本发明一些实施例中，所述音叉111可设于所述激光发生器131与所述激光检测器132之间；如图2中所示，所述激光发生器131、所述音叉111、所述探针112及所述激光检测器132位于同一平面上；又如图3中所示，所述音叉111与所述探针112设于同一平面上，所述激光发生器131与所述激光检测器132同设于另一平面上，且两个平面之间呈直角设置。

所述控制模块14可用于接收所述激光三角测距模块13提供的所述探针112与所述待测物体表面之间的初始距离信号后进行判断，当所述初始距离超出所述音叉测距模块12的测距范围，则由所述控制模块14驱动所述音叉探头并由所述音叉探头带动所述探针112进行微小位移，使所述探针112移动到所述音叉111可进行测距的范围内。在本发明一些实施例中，所述控制模块14可进一步包括一微位移系统(图未示)，所述微位移系统具体由高分辨率的压电伸缩器件(图未示)、驱动电源(图未示)、高精度电感测微仪(图未示)及单片机(图未示)等构成，可驱动所述音叉探头进行微小位移。

在本发明一些实施例中，所述激光三角测距模块13包括一角度调节装置(图未示)，所述角度调节装置与所述激光发生器131连接，所述角度调节装置用于调整所述激光发生器131的设置角度。具体地，所述超微距离检测系统10在对于待测物体100进行检测前，一般还需要对所述激光发生器131的角度与所述激光检测器132的位置进行调节，从而使所述激光三角测距模块13的测距范围可包括所述音叉测距模块11的测距范围。其中，所述激光发生器131的角度调节可采用激光角度调节装置(图未示)和/或手动的螺旋角度调节器(图未示)进行调节。在本发明一些实施例中，进行角度调节的所述激光角度调节装置、所述手动的螺旋角度调节器还可进一步与一 传感器(图未示)连接，所述传感器可用于感测角度调整的信息进而通过计算得到所述激光三角测距模块13与待测物体表面之间的距离。

请一并参阅图2-图3，当采用所述超微距离检测系统10测距时，将所述探针112靠近待测物体100。所述激光发生器131向所述待测物体表面射出入射光R1，激光在所述待测物体表面发生反射后反射光R2部分被所述激光检测器132接收并检测，通过对比所述激光发生器131发出的入射光R1与接收的反射光R2的信号差异，所述激光数据采集与处理模块133可收集相关的信息，从而可获得所述激光发生器131的激光信号发射面与待测物体表面之间的垂直距离D0，由于所述激光发生器131的激光信号发射面与所述探针112之间的距离为一固定值，因此，在获得距离D0后，可进一步计算获得所述探针112与待测物体表面之间的距离D1(即所述探针112与待测物体100表面的初始距离)。

请同时参阅图1，通过所述控制模块14比较所述距离D1是否超出音叉测距模块11的音叉测距范围，若所述距离D1小于所述音叉111的可测距范围，则，直接通过音叉测距模块11测量探针112与待测物体表面的精准距离D2。因为所述音叉测距模块11的音叉测距范围小于2微米，其测量分辨率最大可达到埃米级，所述激光三角测距模块13的测量范围则可从纳米级到毫米级，所以距离D2比距离D1可更精确的表征探针112到待 测物体100表面的距离。所述音叉111测量获得的距离D2即为所述探针112与待测物体100表面之间的距离。若所述初始距离超出所述音叉测距模块12具有的音叉测距范围，则由所述控制模块14控制移动所述探针112移动一定距离，使移动后的所述探针112满足距离D1小于所述音叉111的可测距范围(即所述音叉测距范围)的条件，进一步，通过所述音叉111测量获得的距离D2。

由所述音叉111测量获得的所述距离D2的距离信号可传送至所述控制模块14，由所述控制模块14最终输出所需的距离参数。

本发明第一实施例中所提供的超微距离检测系统10可适用于各种材料和各种形状等待测物体的位移检测和精确定位。为了使待测物体的超微距离定位和位移检测更为精确且可以实现所述探针与待测物体之间的快速定位，还可进一步增加本系统的量程，本发明进一步提供一种超微距离检测方法。

请参阅图4，本发明的第二实施例提供一种超微距离检测方法T10，其是在本发明第一实施例的基础之上进行超微距离定位和位移检测，因此，所述超微距离检测方法T10中，所采用的器件或模块的标号与本发明第一实施例中所述一致。所述超微距离检测方法S10具体可包括如下的步骤：步骤T101，采用激光三角测距模块12测量音叉测距模块的探针112与待测物体表面之间的初始距离；

步骤T102，判断所述初始距离是否超出音叉测距模块的音叉测距范围；若是，则进入步骤T103后重复步骤T102；若否，则进入步骤T104。

步骤T103，移动所述探针112至所述音叉测距范围内；

步骤T104，通过音叉测量获得探针与待测物体表面的距离。

可以理解，当一次移动探针后，所述初始距离仍然超出音叉测距范围，则需要重复移动探针，直到所述初始距离位于所述音叉测距范围内。

如图5中所示，在本发明的第二实施例一个较优的变形实施方式中，所述超微距离检测方法S10可具体包括如下的步骤：

步骤S100，提供激光三角测距模块13及音叉测距模块12；步骤S101，采用激光三角测距模块12检测探针112与待测物体表面之间的初始距离；

步骤S102，判断所述初始距离是否超出音叉测距范围；若否，则进入下一步骤S103，若是，则进入步骤S109；其中，步骤S109为移动探针至所述音叉测距范围内，探针移动到指定位置后需返回步骤S101，继续进行所述探针112与待测物体表面之间距离的测量后，重复进行步骤S102；

步骤S103，对音叉111进行扫频以确定音叉111的谐振频率；

步骤S104，锁定音叉111的谐振频率；

步骤S105，收集音叉111的检测数据；

步骤S106，对所述检测数据进行数据处理；

步骤S107，输出所需测量的距离；及

步骤S108，判断待测物体是否已测距完毕；若是，则结束本次超微距离检测，若否，则返回步骤S103，并重复音叉扫频、锁相。

其中，在上述步骤S101中，所述音叉测距模块具有一音叉测距范围；所述音叉测距范围为所述音叉111可进行测距的最大范围。

在上述的步骤S103中，启动音叉测距模块11中的音叉激谐振扫描模块113进行。在本发明一些较优的实施例中，如可采用函数发生器107a对所述音叉激谐振频率进行扫描。

在上述的步骤S104中，启用锁相环模块114以锁定音叉111的谐振频率。

在上述的步骤S105中，启用音叉数据采集模块115收集音叉的检测数据。其中，所述的检测数据包括所述音叉111的幅值与相位差等信号数据。

在上述的步骤S106中，所述检测数据进行数据处理，以获得所需测量的所述探针112与待测物体表面之间的距离。

请参阅图6，在本实施例所提供的超微距离检测方法中，所述音叉111进行距离测量的原理如下：给所述音叉111一个正弦信号激励使所述音叉111达到谐振状态，当音叉111以谐振状态靠近待测物体100时，由于探针(未标号)与待测物体表面原子间的剪切力作用，使音叉111的振幅和相位发生变化。这一变化由数据采集卡191对音叉输出和锁相环的鉴相器192输出数据进行实时采集而得到。音叉111的谐振频率和相位锁定并通过鉴相器192输出相位差，而另一方面数据采集卡191对音叉111的振幅信号进行实时采集进行幅值反馈。

本发明的第三实施例提供一种如本发明第一实施例中所提供的超微距离检测系统10的应用，其可用于显微成像或位移传感器中。

具体地，采用本发明所提供的超微距离检测系统10，可以与宏动高精度机械线性位移台(图未示)和微动压电纳米定位台(图未示)一起构成扫描探针显微镜，本发明可以实现探针112的准确定位，反馈控制实现探针112与待测物体表面之间的距离维持恒定，从而完成对待测物体表面的成像操作。更进一步地，所述超微距离检测系统10中还可以集成到多种类型的扫描探针显微镜、微波探针显微镜(如衰逝微波探针显微镜等)中，实现成像系统与探针112的耦合，并可实现探针精确定位到2μm以内，并能使探针112与待测物体表面之间的距离可控，从而实现快速显微成像检测。

在本发明一些实施例中，所述超微距离检测系统10还可作为位移传感器，如其可用于超微距离位移检测系统，实现物体的超微位移的精确测量，可见所述超微距离检测系统10具有广泛的适用性。

更进一步地，由于所述超微距离检测系统10的体积小易于系统集成，因此，可适用于各种需要超微距离检测的仪器(如扫描探针显微镜、衰逝微波探针显微镜等)或超微距离位移检测系统中。

与现有技术相比，本发明所提供的一种超微距离检测系统及其方法、应用具有如下的优点：

(1)本发明所提供的超微距离检测系统其包括激光三角测距模块、音叉测距模块及控制模块， 所述音叉测距模块具有一定的音叉测距范围，并且该音叉测距模块包括探针；所述激光三角测距模块用于测量所述探针与待测物体表面之间初始距离，所述控制模块比较所述初始距离是否超出所述音叉测距范围，如果所述初始距离超出所述音叉测距范围，则控制述探针移动至所述音叉测距范围内。在本发明中，通过整合激光三角测距模块以及音叉测距模块，并通过控制模块来控制音叉测距模块的探针移动，通过所述激光三角测距模块的远距离粗略定位及采用音叉检测近距离精确定位相互配合，可以实现所述探针与待测物体之间的快速距离检测。

(2)本发明所提供的超微距离检测系统中，所述音叉测距模块包括音叉，所述探针与所述音叉固定连接，且音叉测距模块的音叉测距范围由所述音叉决定。探针与音叉固定连接，可实现所述探针与待测物体之间的快速距离检测。

(3)所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉连接的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块及音叉数据采集模块，本发明中进一步对所述音叉激谐振扫描模块、所述锁相环模块与所述音叉数据采集模块的功能进行了进一步的限定。通过对所述音叉测距模块的具体限定，可实现通过检测音叉的谐振频率和振幅的变化来实现对原子剪切力的实时反馈，并可进一步快速地获得所述探针与待测物体表面距离参数的测量。

(4)本发明所提供的超微距离检测系统中，对激光三角测距模块进行了限定，其中，所述激 光发生器用于发射激光信号，所述激光检测器用于接收激光发生器发出的激光信号，所述激光数据采集及处理模块用于采集及处理所述激光发生器与所述激光检测器的发射及接收信号，从而可实现激光检测信号的快速及准确的采集与处理。更进一步地，所述激光发生器与所述激光检测器之间呈角度分别设置在所述探针的两侧，通过这样的设置，将所述激光三角测距模块与所述音叉测距模块有效结合，以实现更快速的超微距离定位和位移检测。

(5)本发明所提供的超微距离检测方法中，包括如下步骤：所述激光三角测距模块测量音叉测距模块中探针与待测物体表面之间的初始距离；通过比较所述初始距离是否超出音叉测距范围，若所述初始距离超出所述音叉测距范围，则移动探针至所述音叉测距范围内；可以通过所述激光三角测距模块预测音叉测距模块中探针跟物体表面的初始距离，实现探针的快速定位，并当所述初始距离超出音叉测距模块的音叉测距范围时，可将所述探针移动至音叉测距模块可进行测距的范围之内再进行测距。可以实现所述探针与待测物体之间的快速超微距离检测。

(6)本发明所提供的超微距离检测方法中，在移动所述探针到音叉测距模块的测距范围后，进一步包括以下步骤：对音叉进行扫频以确定其谐振频率；锁定音叉的谐振频率并收集音叉的检测数据。采用本发明所提供的可实现通过检测音 叉的谐振频率和振幅的变化来实现超微距离检测方法中对原子剪切力的实时反馈，并进一步更快速地获得所述探针与待测物体表面距离参数的测量。

(7)本发明所提供的超微距离检测方法中，采用控制模块控制移动所述探针，通过这样的方法可实现所述探针的快速精准移动，从而使所述探针与待测物体表面的移动距离可控性强且移动快速，从而可实现探针与待测物体表面之间的快速测距。

(8)本发明所提供的超微距离检测系统及其方法可避免采用现有的待测物体超微距离定位或显微成像时，探针与待测物体的靠近需要不断保持微小步进并进行音叉实时扫频检测，非常耗费时间的问题，提供一种快速实现超微距离定位和位移检测的技术方案。

(9)本发明所提供的超微距离检测系统的应用，其可实现精确和快速的显微成像及位移传感，此外，由于所述超微距离检测系统中探头体积小易于系统集成，因此，可适用于各种需要超微距离定位的仪器(如扫描探针显微镜、衰逝微波探针显微镜等)或超微距离的位移检测系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超微距离检测系统，其特征在于：其包括激光三角测距模块、音叉测距模块及控制模块；所述音叉测距模块具有一定的音叉测距范围，并且该音叉测距模块包括探针；所述激光三角测距模块用于测量所述探针与待测物体表面之间初始距离，所述控制模块用于比较所述初始距离是否超出音叉测距范围，如果所述初始距离超出所述音叉测距范围，则控制所述探针移动至所述音叉测距范围内。

2.如权利要求1中所述超微距离检测系统，其特征在于：所述音叉测距模块包括音叉，所述探针与所述音叉固定连接，且音叉测距模块的音叉测距范围由所述音叉决定。

3.如权利要求2中所述超微距离检测系统，其特征在于：所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉连接的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块及音叉数据采集模块。

4.如权利要求3中所述超微距离检测系统，其特征在于：所述音叉激谐振扫描模块用于对所述音叉进行扫频以确定所述音叉的谐振频率；所述锁相环模块用于对所述谐振频率进行锁定；所述音叉数据采集模块用于收集所述音叉的检测数据。

5.如权利要求1中所述超微距离检测系统，其特征在于：所述激光三角测距模块进一步包括激光发生器、激光检测器及与两者连接的激光数据采集及处理模块，所述激光发生器用于发射激光信号，所述激光检测器用于接收激光发生器发出的激光信号，所述激光数据采集及处理模块用于采集及处理所述激光发生器与所述激光检测器的发射及接收信号。

6.如权利要求5中所述超微距离检测系统，其特征在于：所述激光发生器与所述激光检测器之间呈角度分别设置在所述探针的两侧。

7.一种超微距离检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：采用激光三角测距模块测量音叉测距模块中探针与待测物体表面之间的初始距离；比较所述初始距离是否超出音叉测距模块的音叉测距范围，若所述初始距离超出所述音叉测距范围，则移动所述探针至所述音叉测距范围内；通过音叉测距模块测量获得探针与待测物体表面的距离。

8.如权利要求7中所述超微距离检测方法，其特征在于：在所述超微距离检测方法中，在移动所述探针到音叉测距模块的测距范围后，进一步包括以下步骤：对音叉测距模块的音叉进行扫频以确定其谐振频率；锁定音叉的谐振频率并收集音叉的检测数据。

9.如权利要求8中所述超微距离检测方法，其特征在于：在所述超微距离检测方法中，进一步采用控制模块移动所述探针。

10.一种超微距离检测系统的应用，其特征在于：如权利要求1-5中任一项所述超微距离检测系统，其可用于显微成像或位移传感器中。